一种发动机缸盖与一种燃气发动机的制作方法

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机缸盖与一种燃气发动机。


背景技术：

2.随着燃气发动机技术的发展，目前越来越多的发动机制造商开始在柴油发动机的基础上设计开发燃气发动机。由于柴油发动机的燃烧方式的特殊性，需要发动机燃烧室在进气的过程组织气流产生足够的涡流比。但是，燃气发动机并不需要过多的涡流，而是需要组织气流更多的形成旋转中心轴线和缸套中心轴线垂直的滚流。也就是说，对于燃气发动机，只有有效的产生足够的滚流，才能达到优化燃烧的目的。其中，涡流是指气体绕缸套轴线有组织的旋流运动。
3.传统柴油机的气道设计使得两个进气门的中心连线与曲轴轴线的夹角在70
°
~110
°
之间，由于两者垂直布置或接近垂直布置，因此，这种进气道布置结构也称为垂直型进气道，其两个分支进气道分别为切向气道和螺旋气道。该结构使得进气方向与涡流产生方向一致，但是进气方向与滚流所需的产生方向是接近垂直的，该结构有利于气体产生涡流，而如需产生滚流则十分困难。
4.因此，如何在现有柴油机的基础上通过结构设计以利于产生燃气发动机所需的滚流，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种发动机缸盖，用于在现有柴油机的基础上通过更改缸盖结构的方式，使进入发动机缸套内的气体产生燃气发动机所需的滚流效果。本发明的另一个目的在于提供一种包括上述发动机缸盖的燃气发动机。
6.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：本发明提供了一种发动机缸盖，包括垂直型进气道结构，所述垂直型进气道结构包括相对远离缸盖气道进气口的切向气道以及相对靠近所述缸盖气道进气口的螺旋气道，所述切向气道和所述螺旋气道的远离对应排气门的一侧壁面均设有向对应的进气门中心凸出的滚流生成凸起，所述切向气道和所述螺旋气道的进气喉口均设有中心向对应排气门的方向偏移布置的偏心倒角，所述滚流生成凸起的中心相对其对应的进气门中心更加远离所述缸盖气道进气口，所述滚流生成凸起的中心与对应的进气门中心的连线为滚流凸起方向线，所述滚流凸起方向线与曲轴方向线的夹角为滚流方向角，所述切向气道对应的滚流方向角小于所述螺旋气道对应的滚流方向角。
7.优选地，所述偏心倒角的中心与对应的进气门中心的连线为偏心倒角方向线，所述偏心倒角方向线与对应的进排气门中心连线重合或呈锐角夹角。
8.优选地，所述螺旋气道对应的所述偏心倒角方向线与对应的进排气门中心连线呈锐角夹角，且所述螺旋气道对应的所述偏心倒角的中心相对其对应的进气门中心更靠近所述缸盖气道进气口。
9.优选地，所述滚流凸起方向线与所述偏心倒角方向线的夹角为滚流方向配合角，所述切向气道对应的滚流方向配合角小于所述螺旋气道对应的滚流方向配合角。
10.优选地，所述切向气道对应的滚流方向配合角为0
°
~20
°
，所述螺旋气道对应的滚流方向配合角为0
°
~40
°
。
11.优选地，所述切向气道和所述螺旋气道对应的进排气门中心连线均与所述曲轴方向线平行布置或呈锐角夹角。
12.优选地，所述滚流生成凸起位于进气门座圈的上方，所述滚流生成凸起在所述进气门座圈的上端面的轴向投影为滚流凸起投影，所述滚流凸起投影形成由所述进气门座圈的内侧边缘沿径向向所述进气门座圈的中心凸出的凸出区域，所述凸出区域在沿所述进气门座圈的周向方向上的中部的宽度大于其两端的宽度。
13.优选地，所述凸出区域为内凹侧朝向所述进气门座圈的中心布置的月牙形区域。
14.本发明提供的发动机缸盖，包括垂直型进气道结构，垂直型进气道结构包括相对远离缸盖气道进气口的切向气道以及相对靠近缸盖气道进气口的螺旋气道，切向气道和螺旋气道的远离对应排气门的一侧壁面均设有向对应的进气门中心凸出的滚流生成凸起，切向气道和螺旋气道的进气喉口均设有中心向对应排气门的方向偏移布置的偏心倒角，滚流生成凸起的中心相对其对应的进气门中心更加远离缸盖气道进气口，滚流生成凸起的中心与对应的进气门中心的连线为滚流凸起方向线，滚流凸起方向线与曲轴方向线的夹角为滚流方向角，切向气道对应的滚流方向角小于螺旋气道对应的滚流方向角。
15.本发明的工作原理如下：发动机气缸吸气时，进气门打开，垂直型进气道结构中的气体分别从切向气道和螺旋气道进入气缸内。当气流经过滚流生成凸起时，由于滚流生成凸起位于气道远离对应排气门的一侧壁面，因此，滚流生成凸起使得大部分气流向排气门一侧移动。然后，气流流经进气门和进气门座圈共同形成的环形通道时被再次组织，并且气流在通过偏心倒角和进气门之间的间隙流入气缸时，由于偏心倒角的中心向排气门方向偏移布置，因此，偏心倒角使得大部分进气气流流向排气门一侧。切向气道的进气气流进入气缸内之后，经过排气门下方区域，并在气缸壁的导向下形成大尺度的滚流运动。螺旋气道相对切向气道更加靠近缸盖气道进气口，其内的进气气流比另一侧气道内气流的能量更大，因此，螺旋气道内的气流更容易受流动惯性影响，在刚进入气缸内时容易向切向气道的进气门下方运动，使得螺旋气道及对应的排气门的下方区域较难组织形成滚流运动。本发明将螺旋气道对应的滚流方向角设计得较切向气道的滚流方向角更大，即，使得滚流生成凸起对气流的导向更加偏向螺旋气道及对应的排气门下方区域，进一步克服惯性影响，从而使进气气流充分占据整个缸内空间，进而使得滚流进一步增强。在压缩过程的末期，当活塞上行到上止点附近时，对滚流的压缩破碎可以形成更多湍流，从而产生足够的湍动能，加快燃烧的速度，有利于提升燃气发动机的性能。
16.本发明具有以下有益效果：1）本发明适用于具有垂直型进气道结构的燃气发动机，能够克服垂直型进气道的流动惯性影响，有利于在缸内产生大尺度滚流运动；2）本发明对进气气流三次导向，进一步保证了大尺度滚流运动的组织和加强；3）本发明对气道结构改动较小，对气道流量系数的影响较小，保证气流具有足够
的进气能量。
17.本发明还提供了一种包括上述发动机缸盖的燃气发动机。该燃气发动机产生的有益效果的推导过程与上述发动机缸盖带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明具体实施例中的发动机缸盖的纵向剖视图；图2为本发明具体实施例中的切向气道和螺旋气道引导进气气流的示意图；图3为本发明具体实施例中的滚流方向角的示意图；图4为本发明具体实施例中的滚流方向配合角的示意图；图5为本发明具体实施例中的进气气流生成滚流的效果示意图；图6为本发明方案与现有方案的气道流量系数的对比曲线图；图7为本发明方案与现有方案的滚流比的对比曲线图。
20.图1至图5中的各项附图标记的含义如下：1
‑
第一进气喉口、2
‑
第二进气喉口、3
‑
总进气道、4
‑
缸盖气道进气口、5
‑
第一排气喉口、6
‑
第二排气喉口、7
‑
曲轴方向线、8
‑
两进气门中心连线、9
‑
第一滚流生成凸起、10
‑
第二滚流生成凸起、11
‑
第一偏心倒角、12
‑
第二偏心倒角、13
‑
第一偏心倒角方向线、14
‑
第二偏心倒角方向线、15
‑
第一滚流凸起方向线、16
‑
第二滚流凸起方向线、17
‑
第一进气门座圈、18
‑
第一进气门中心线、19
‑
切向气道、20
‑
螺旋气道。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本发明提供了一种发动机缸盖，包括垂直型进气道结构，垂直型进气道结构包括相对远离缸盖气道进气口4的切向气道19以及相对靠近缸盖气道进气口4的螺旋气道20，如图2所示，垂直型进气道结构的总进气道3的末端分岔形成切向气道19和螺旋气道20这两个分支进气道，切向气道19和螺旋气道20的远离对应排气门的一侧壁面均设有向对应的进气门中心凸出的滚流生成凸起，切向气道19和螺旋气道20的进气喉口均设有中心向对应排气门的方向偏移布置的偏心倒角，滚流生成凸起的中心相对其对应的进气门中心更加远离缸盖气道进气口4，滚流生成凸起的中心与对应的进气门中心的连线为滚流凸起方向线，滚流凸起方向线与曲轴方向线7的夹角为滚流方向角，切向气道19对应的滚流方向角小于螺旋气道20对应的滚流方向角。
23.具体的，请参照图1至图3，垂直型进气道结构的总进气道3的延伸方向与两进气门
中心连线8的延伸方向一致，因此，使得切向气道19比螺旋气道20更加远离缸盖气道进气口4。垂直型进气道结构对应的两个进气门中心的连线（即图2中的两进气门中心连线8）与曲轴方向线7（即曲轴轴线在气缸盖底面的投影）的夹角为90
°
或接近90
°
，通常在70
°
~110
°
之间。在传统的没有设计滚流生成凸起和偏心倒角结构的垂直型进气道结构中，进气气流从切向气道19和螺旋气道20进入缸内后在缸内容易形成涡流运动，本发明为了进气气流在缸内形成滚流运动，分别对切向气道19和螺旋气道20进行了改进，具体的，主要是在这两个分支进气道的壁面设计滚流生成凸起以及在两个进气喉口的底孔设计偏心倒角。如图2所示，切向气道19的远离对应排气门（对应于第一排气喉口5）的一侧壁面设有向对应的进气门中心凸出的第一滚流生成凸起9，如图1所示，第一滚流生成凸起9向对应的第一进气门中心线18凸起。切向气道19的进气喉口（即图2中的第一进气喉口1）的底孔处设有第一偏心倒角11，第一偏心倒角11的中心相对第一进气喉口1的中心向对应的第一排气喉口5的方向偏移布置，使得对应的进气门打开时能够在朝向第一排气喉口5的一侧形成宽度更大的通气间隙，便于将进气气流向第一排气喉口5的方向引导。螺旋气道20的远离对应排气门（对应于第二排气喉口6）的一侧壁面设有向对应的进气门中心凸出的第二滚流生成凸起10，螺旋气道20的进气喉口（即图2中的第二进气喉口2）的底孔处设有第二偏心倒角12，第二偏心倒角12的中心相对第二进气喉口2的中心向对应的第二排气喉口6的方向偏移布置，使得对应的进气门打开时能够在朝向第二排气喉口6的一侧形成宽度更大的通气间隙，便于将进气气流向第二排气喉口6的方向引导。
24.具体的，两个分支进气道内的滚流生成凸起的中心相对其对应的进气门中心更加远离缸盖气道进气口4，参照图2，第一滚流生成凸起9的中心相对其对应的进气门中心（相当于第一进气喉口1的中心）更加远离缸盖气道进气口4，第二滚流生成凸起10的中心相对其对应的进气门中心（相当于第二进气喉口2的中心）更加远离缸盖气道进气口4，如此设置，第一滚流生成凸起9和第二滚流生成凸起10不仅能够将对应分支进气道内的进气气流向对应的排气门方向引导，同时，第一滚流生成凸起9还能够将进气气流向靠近气缸中心的方向引导，第二滚流生成凸起9还能够将进气气流向靠近缸盖气道进气口4的方向引导，因此，这两个滚流生成凸起的组合作用下可以使进气气流在垂直于总进气道3的方向上运动，从而有利于在缸内生成滚流运动。进气气流在缸内形成的滚流示意请参照图5中的弯曲线箭头所示。
25.本发明不仅在两个分支进气道内设计了滚流生成凸起的特征，还对两个分支进气道内的滚流生成凸起特征进行了差异化设计，具体的，滚流生成凸起的中心与对应的进气门中心的连线为滚流凸起方向线，滚流凸起方向线与曲轴方向线7的夹角为滚流方向角，如图3所示，第一滚流生成凸起9的中心与对应的进气门中心的连线为第一滚流凸起方向线15，第一滚流凸起方向线15与曲轴方向线7的夹角α1为第一滚流方向角，第二滚流生成凸起10的中心与对应的进气门中心的连线为第二滚流凸起方向线16，第二滚流凸起方向线16与曲轴方向线7的夹角α2为第二滚流方向角，切向气道19对应的第一滚流方向角α1小于螺旋气道20对应的第二滚流方向角α2。本发明将两个分支进气道内的滚流生成凸起特征进行差异化设计的原因在于，对于垂直型进气道结构而言，切向气道19的进气气流在第一滚流生成凸起9、第一偏心倒角11和气缸壁的引导下，教易形成滚流运动，旋转方向也较为稳定，因此，第一滚流方向角α1可以设计得较小，以提高流通能力，保证气流进气能量。而针对原螺
旋气道20来说，进气气流在进入气缸内部之后由于受到流动惯性的影响，并且进气气流进入气缸时远离气缸壁，在没有进一步引导作用的情况下容易形成涡流运动，并且第二进气喉口2以及第二排气喉口6的下方区域由于没有足够的气流补充从而较组织形成滚流运动，因此，本发明将第二滚流方向角α2设计得较大，从而可以利用第二滚流生成凸起10将更多气流向第二进气喉口2以及第二排气喉口6的下方区域引导，同时，借助第二偏心倒角12的导向作用，就可以使气流向第二排气喉口6的下方引导，进而更有利于气流充分占据整个缸内空间，进一步加强滚流强度。本方案通过差异化设计，不仅加强了缸内的滚流强度，还可以避免降低气道的流量系数。
26.本发明的工作原理如下：发动机气缸吸气时，进气门打开，垂直型进气道结构中的气体分别从切向气道19和螺旋气道20进入气缸内。当气流经过滚流生成凸起时，由于滚流生成凸起位于气道远离对应排气门的一侧壁面，因此，滚流生成凸起使得大部分气流向排气门一侧移动。然后，气流流经进气门和进气门座圈共同形成的环形通道时被再次组织，并且气流在通过偏心倒角和进气门之间的间隙流入气缸时，由于偏心倒角的中心向排气门方向偏移布置，因此，偏心倒角使得大部分进气气流流向排气门一侧。切向气道19的进气气流进入气缸内之后，经过排气门下方区域，并在气缸壁的导向下形成大尺度的滚流运动。螺旋气道20相对切向气道19更加靠近缸盖气道进气口4，其内的进气气流比切向气道19内气流的能量更大，因此，螺旋气道20内的气流更容易受流动惯性影响，在刚进入气缸内时容易向切向气道19的进气门下方运动，使得螺旋气道20及对应的排气门的下方区域较难组织形成滚流运动。本发明将螺旋气道20对应的滚流方向角设计得较切向气道19的滚流方向角更大，即，使得滚流生成凸起对气流的导向更加偏向螺旋气道20及对应的排气门下方区域，进一步克服惯性影响，从而使进气气流有目的性的充分占据整个缸内空间，进而使得滚流进一步增强。在压缩过程的末期，当活塞上行到上止点附近时，对滚流的压缩破碎可以形成更多湍流，从而产生足够的湍动能，加快燃烧的速度，有利于提升燃气发动机的性能。
27.需要说明的是，当进气气流流经进气门与进气喉口的底孔之间的环形间隙时，由于偏心倒角的中心相对进气喉口的中心向排气侧偏移一段距离，因此，使得该环形间隙靠近排气喉口的一侧变得较宽，也因而能够将更多气流向排气喉口下方区域引导，可见，偏心倒角的偏心位置决定了大部分气流的流动方向，本方案中定义偏心倒角的中心与对应的进气门中心的连线为偏心倒角方向线，偏心倒角方向线与对应的进排气门中心连线重合或呈锐角夹角，这样就可以保证偏心倒角将大部分气流引导向排气侧流动。如图3所示，第一偏心倒角11的中心与对应的进气门中心的连线为第一偏心倒角方向线13，第二偏心倒角12的中心与对应的进气门中心的连线为第二偏心倒角方向线14。
28.本发明不仅在两个进气喉口设计了偏心倒角的特征，还对两个偏心倒角特征进行了差异化设计，具体的，螺旋气道20对应的第二偏心倒角方向线14与对应的进排气门中心连线呈锐角夹角，且螺旋气道20对应的第二偏心倒角12的中心相对其对应的进气门中心（相当于第二进气喉口2的中心）更靠近缸盖气道进气口4。如此设置，与上述两个滚流生成凸起特征的差异化设计的目的类似，使得第二偏心倒角12能够将气流向第二排气喉口6的下方引导，进而更有利于气流充分占据整个缸内空间，进一步加强滚流强度。
29.优选地，滚流凸起方向线与偏心倒角方向线的夹角为滚流方向配合角，如图4所
示，切向气道19对应的第一滚流凸起方向线15与第一偏心倒角方向线13的夹角θ1为第一滚流方向配合角，螺旋气道20对应的第二滚流凸起方向线16与第二偏心倒角方向线14的夹角θ2为第二滚流方向配合角，本方案将第一滚流方向配合角θ1与第二滚流方向配合角θ2的关系设计为：θ1＜θ2。本方案将两个滚流方向配合角进行差异化设计的目的与上文所述的将两个滚流方向角进行差异化设计的目的相同，故本文不再赘述。
30.优选地，切向气道19对应的第一滚流方向配合角θ1为0
°
~20
°
，螺旋气道20对应的第二滚流方向配合角θ2为0
°
~40
°
。
31.优选地，切向气道19和螺旋气道20对应的进排气门中心连线均与曲轴方向线7平行布置或呈锐角夹角。进排气门中心连线，即，进气门的中心与对应的排气门的中心的连线。进一步优选地，这两个进排气门中心连线均与曲轴方向线7平行布置。
32.需要说明的是，本发明中的滚流生成凸起的具体结构形式有多种选择，例如，将滚流生成凸起设计成横截面为圆弧形、矩形或其他多边形等形状的凸起结构，具体的，滚流生成凸起位于进气门座圈的上方，以图1为例说明，本方案中的第一滚流生成凸起9位于第一进气喉口1的第一进气门座圈17的上方，滚流生成凸起在进气门座圈的上端面的轴向投影为滚流凸起投影，滚流凸起投影形成由进气门座圈的内侧边缘沿径向向进气门座圈的中心（即相应的进气门中心）凸出的凸出区域，本方案将该凸出区域在沿进气门座圈的周向方向上的中部的宽度设计为大于其两端的宽度，其中，滚流生成凸起朝向进气门中心的一侧边缘为滚流凸起特征边，滚流凸起特征边具体可以设计为直线形边缘或曲线形边缘，如图3和图4所示，优选地，本方案将滚流凸起特征边设计为圆弧形边缘，滚流生成凸起形成的凸出区域为内凹侧朝向进气门座圈的中心布置的月牙形区域。
33.经过试验验证，请参照图6，与原垂直型进气道方案相比较，由于本方案在原气道结构内增设了滚流生成凸起，因此，在各气门升程阶段下的流量系数有所下降；与现有改进型方案（即现有技术中在进气道内设计有鱼肚型、下冲引导面特征和偏心倒角特征等用于生成滚流的特征的气缸盖方案）相比较，由于本方案仅在气道内设计有滚流生成凸起特征并且在进气喉口的底孔设计偏心倒角特征，相当于使用更少改动特征实现了组织滚流的目的，因此，在各气门升程阶段下的流量系数比现有改进型方案更高。
34.请参照图7，与原垂直型进气道方案相比较，由于本方案能够克服流动惯性影响，并使进气气流有目的性的充分占据整个缸内空间，从而能够使滚流比大幅提升；同时，与现有改进型方案相比较，由于本方案在各气门升程阶段下都具有比现有改进型方案更高的流量系数，因此，本方案能够维持更高的进气能量，而更高的进气能量有助于维持滚流，所以本方案在各气门升程阶段均能够产生比现有改进型方案更高的滚流比。
35.本发明具有以下有益效果：1）本发明适用于具有垂直型进气道结构的燃气发动机，能够克服垂直型进气道的流动惯性影响，在进气过程中改变气流进入气缸的方向，有利于在缸内产生大尺度滚流运动；2）本发明对进气气流三次导向，进一步保证了大尺度滚流运动的组织和加强；3）本发明对气道结构改动较小，在有效增强滚流强度的情况下对气道流量系数的影响较小，从而保证气流具有足够的进气能量。
36.本发明还提供了一种包括上述发动机缸盖的燃气发动机。该燃气发动机产生的有
益效果的推导过程与上述发动机缸盖带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
37.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。